旨在探究喀斯特地区退化生态系统植被恢复树种凋落叶分解过程及其对土壤碳排放的激发效应,为选择合适的树种进行植被恢复提供数据支持.以中国林科院热带林业实验中心大青山石山树木园11种适应性强、耐干旱贫瘠的优良石山树种为研究对象,利用13C自然丰度法区分凋落叶和土壤来源CO2并量化土壤激发效应,比较不同生态恢复树种凋落叶分解及其激发效应的差异,探讨凋落物分解及其激发效应与凋落物性状之间的关联.结果表明:(1)11个生态恢复树种凋落叶在碳相关化学性质(水溶性碳、半纤维素和单宁含量等)、养分含量(磷和镁含量等)及化学计量特征(碳磷比和氮磷比)等方面均表现出较高程度变异.(2)不同生态恢复树种凋落叶分解及其诱导的土壤激发效应具有极显著差异(P＜0.001);在整个培养实验期间,11个生态恢复树种凋落叶平均分解了 35.3％,其中海南椴分解最快,达到50％,而青冈栎分解最慢,仅分解16.5％.(3)总体上看,凋落叶处理的土壤呼吸速率(5.1 mg C kg-1 土壤d-1)是对照土壤呼吸速率(2.3 mg C kg-1 土壤d-1)的2.2倍,凋落叶添加显著促进土壤有机碳分解,平均达到37.6％;其中海南椴、割舌树和任豆凋落叶输入则抑制土壤有机碳分解(抑制程度分别为-13.2％、-6.9％和-22.5％),产生负激发效应.(4)凋落叶分解与非结构性碳(r=0.63,P=0.04)和水溶性碳(r=0.91,P＜0.001)呈显著正相关,与叶干物质含量(r=0.64,P=0.03)、纤维素(r=0.62,P=0.04)和锰含量(r=-0.63,P=0.04)呈显著负相关.多元回归分析结果表明,水溶性碳、钾和钙含量相结合可以解释生态恢复树种凋落叶分解变异的98％;然而,凋落叶性状与土壤激发效应强度之间并没有显著相关性.从土壤养分归还角度考虑,喀斯特退化生态系统恢复树种可以选择光皮梾木、海南椴、顶果木和降香黄檀等凋落叶分解较快的树种,以促进土壤养分循环和植被恢复;另一方面,从土壤碳固持角度来看,海南椴、任豆和割舌树等凋落叶输入会抑制土壤有机碳分解,从而有利于提高退化生态系统土壤碳封存能力.

为探究氮沉降增加背景下高寒草甸土壤呼吸干湿季变化及其与环境因子的耦合关系,选择纳帕海典型退化草甸疏花早熟禾群落,设置对照(0 g·m-2·a-1)、低氮(5 g·m-2·a-1)、中氮(10 g·m-2·a-1)和高氮(15 g·m-2·a-1)4个水平的氮沉降模拟试验,分析氮沉降引起的地上生物量、植物多样性及土壤理化性质变化对土壤呼吸的影响.结果表明:不同氮沉降处理均显著促进草甸土壤呼吸,干季和湿季土壤呼吸速率相较于对照分别增加了 21.9％～53.9％和27.3％～51.2％,且在中氮处理下增幅最大.氮沉降显著提升草甸地上生物量(增幅达52.2％～66.4％);植物多样性随氮添加总体呈降低趋势,湿季最大降幅(13.5％～24.2％)出现在高氮处理.氮沉降显著增加土壤铵态氮、有机质、微生物生物量碳氮、温度和含水率(增幅为14.3％～333.5％),氮沉降显著降低土壤pH(减幅达9.0％～34.6％).结构方程表明,植物生物量及Shannon多样性、微生物生物量和温湿度对土壤呼吸具有显著促进作用,土壤容重则表现为抑制效应;氮库和pH对土壤呼吸变化的解释率分别为55.7％和45.1％,是影响土壤CO2排放的主导因素.短期大气氮沉降主要通过改变土壤pH及氮库组成而促进高寒退化草甸土壤呼吸.

本研究比较了青藏高原高寒草甸土壤呼吸速率(Rs)、自养呼吸速率(Ra)和异养呼吸速率(Rh)随施氮梯度的变化,揭示土壤呼吸及其组分变化的主要影响因素,为评价未来氮沉降背景下高寒草甸土壤碳释放提供科学依据.于2014年在四川红原青藏高原高寒草甸建立长期氮素添加平台,采取完全随机区组试验设计,设置 0(N0,对照)、2(N2)、4(N4)、8(N8)、16(N16)和 32 g N·m-2·a-1(N32)6 个水平氮素添加控制实验.于2020年生长季对Rs、Ra和Rh进行监测.结果表明:施氮显著降低了土壤呼吸及其组分(P＜0.05),且Ra的下降幅度大于Rh,导致Rh/Rs随施氮水平逐渐上升;不同施氮处理下Ra和Rh与土壤温度均呈显著的指数正相关(P＜0.05);施氮降低了 Ra的温度敏感性(Q10),但提高了 Rh的Q10值;土壤呼吸各组分与土壤湿度的关系均不显著,但土壤温度和土壤湿度双因子模型对Ra和Rh的解释度高于单因素模型.本研究揭示了高寒草甸土壤呼吸及其组分对氮添加的响应特征及机制,可为评估高寒草甸生态系统对大气氮沉降的响应以及生态系统管理提供科学依据.

以半干旱区马铃薯为试验材料,利用人工补水及自然控水的方法,测定分析马铃薯叶片在不同水分条件下光合生理参数的光响应过程及对土壤水分响应规律的阈值效应,水分梯度设置土壤含水量为田间持水量55％、65％和75％为干旱胁迫处理,土壤含水量为田间持水量80％为对照,土壤含水量为田间持水量85％为渍水处理.结果表明:马铃薯叶片净光合速率(Pn)、水分利用效率(WUE)及光响应参数具有明显的水分临界效应.表观量子效率(AQY)、最大净光合效率(Pnmax)、光饱和点(LSP)随土壤含水量的增大呈先增加后降低的变化趋势,光补偿点(LCP)、暗呼吸速率(Rd)则先降低后增加.在渍水或干旱胁迫下,马铃薯叶片在弱光下的吸收、转换光的能力降低,在强光和弱光利用方面受到抑制,并且通过减少呼吸消耗维持干物质积累.Pn、WUE随土壤水分的增加呈先升高后降低趋势,但水分临界值不相同,土壤相对含水量(Wr)为56.7％时为马铃薯叶片气孔限制的临界点,Wr为96.3％时为Pn的水分饱和点,Wr为70.1％时为WUE的高效点,马铃薯在渍水条件下叶片的光合能力高于干旱胁迫处理.通过数学模型确定半干旱区马铃薯的水分阈值,当Wr在70.1％～96.3％时为高产高效水,此时马铃薯的光合生产力和水分利用效率较高.因此,Wr在70.1％～96.3％时是半干旱区马铃薯较适宜生长的土壤水分条件,半干旱地区渍水条件下马铃薯的光合能力明显高于干旱胁迫处理.

土壤呼吸会影响全球碳循环,而湿地水位与土壤呼吸息息相关.然而,由于原位观测有限,目前尚不清楚高寒沼泽土壤呼吸及其组分如何响应水位下降.在若尔盖高原纳勒乔沼泽建立了水位下降控制实验平台,定位监测土壤呼吸及其组分的变化,并初步探讨土壤呼吸及其组分与生物和非生物因素的潜在联系.结果发现,水位下降对高寒草本沼泽土壤呼吸(Rs)没有显著影响,但自养呼吸(Ra)和异氧呼吸(Rh)对水位下降表现出明显不同反应.其中,自养呼吸速率下降了 67.2%,异养呼吸速率上升了 67.3%.异养呼吸和自养呼吸在土壤呼吸中的占比发生显著变化,水位下降后,Rh/Rs较对照增加了 88%,Ra/Rs减少了61%.水位下降引起的自养呼吸和异养呼吸变化的驱动因素不同,植株高度、地上及地下生物量解释了自养呼吸的变化,土壤温度、C:N则是异氧呼吸变化的关键影响因素.综上,在高寒草本沼泽生态系统中,水位下降对土壤呼吸组分的影响强度及其驱动因素存在明显差异,这需要在陆地表层碳循环模型中加以考虑,以便更好评估高寒草本沼泽碳循环对气候变化的反馈作用.

探究轻度火烧后土壤呼吸及其组分变化规律以及对林地环境因子的影响,可为林火干扰条件下滨海沙地人工林土壤碳排放估算提供科学依据.该研究以闽南沿海地区木麻黄(Casuarina equisetifolia)人工林火烧迹地和对照样地为研究对象,于2019年9月至2020年8月采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统测定土壤总呼吸速率(Rs)和异养呼吸速率(RH),同时测定10 cm深处的土壤温度(T10)、湿度(W10)和0-10 cm土壤的物理化学性质,探讨轻度火烧对林地土壤Rs和RH以及非生物因子的影响.结果表明:火烧迹地土壤全年平均Rs和RH分别为(2.37±0.65)和(2.05±0.63)μmol·m-2·s-1,对照样地土壤全年平均Rs和RH分别为(2.86±1.08)和(2.51±1.08)μmol·m-2·s-1,火烧迹地与对照样地土壤呼吸速率及其组分存在显著差异.除对照样地土壤RH外,两块样地土壤呼吸速率及其组分与土壤温度呈极显著指数相关关系,与土壤水分的相关关系均未达到显著水平.土壤呼吸速率与土壤可溶性有机碳、土壤微生物生物量氮含量呈极显著正相关关系,与土壤可溶性有机氮含量呈显著正相关关系,与土壤微生物生物量碳含量呈显著负相关关系.轻度火烧对木麻黄人工林土壤呼吸及其组分均有抑制作用,说明林火干扰对森林生态系统土壤呼吸和碳循环具有重要影响.

为揭示气候变暖对我国亚热带地区人工林生态系统细根动态过程的影响,在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站开展成熟杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林野外原位土壤增温实验,采用内生长环法探究增温在不同季节对成熟杉木人工林细根生长量、形态及生理代谢特征的影响.结果表明:与对照相比,在雨季,增温处理使得0-1 mm细根生长量及细根(0-2 mm)总生长量显著增加109.9％和78.2％,0-1 mm细根比根长(SRL)和可溶性糖含量显著增加28.8％和41.5％,而细根比呼吸速率(SRR)和淀粉含量显著降低64.1％和15.9％;在旱季,增温处理使得0-1和1-2 mm细根生长量及各形态指标均无显著变化,而0-1 mm细根SRR、1-2 mm细根淀粉和非结构性碳水化合物(NSC)含量显著降低60.7％、43.9％和14.2％.因此,在未来气候变暖背景下,中亚热带地区成熟杉木人工林具有较强的适应能力.雨季,成熟杉木人工林可能通过增加细根SRL,吸收更多资源并促进淀粉向可溶性糖的转化来维持正常生理活动以促进细根生长来响应增温.旱季,成熟杉木人工林则采取降低细根SRR、减少体内养分消耗并增加对NSC的利用,提高水分运输效率以维持细根正常生长的策略来响应增温;而调整细根SRL、比表面积和根组织密度可能不是其响应增温的主要策略.

为探究滨海地区人工防护林火烧迹地土壤总呼吸速率及其组分的动态变化规律以及与之相关的影响因素,利用壕沟法区分土壤异养呼吸和自养呼吸,采用Li-8100碳通量自动测定系统,对福建省滨海沙地尾巨桉人工林火烧迹地土壤呼吸进行测定,同时测定0～10 cm处的土壤温度(T10)和土壤体积含水量(W10),分析火烧迹地和对照样地土壤呼吸及其组分与林地水热因子的月动态变化,探讨土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分以及土壤理化性质的相关关系.结果表明:火烧迹地土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸的月平均速率分别为2.20、1.87和0.33 μmol·m-2·s-1,对照样地土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸的月平均速率分别为2.96、2.15和0.81 μmol·m-2·s-1,火烧迹地土壤呼吸及其组分均显著下降(P＜0.05);全年火烧迹地和对照样地土壤呼吸及其组分与T10均表现出极显著指数相关,全年火烧迹地和对照样地土壤总呼吸速率与W10均表现出显著正相关,火烧迹地土壤异养呼吸与W10无显著相关,对照样地土壤异养呼吸与W10表现出极显著正相关,火烧迹地土壤总呼吸和异养呼吸的Q10值相同,且稍低于对照样地的Q10值;林地土壤呼吸速率与土壤NO3--N、无机氮均存在极显著正相关,与NH4+-N存在显著正相关;在尾巨桉人工林中,林火干扰对土壤呼吸速率有显著影响,土壤异养呼吸和自养呼吸均显著降低.通过建立回归模型可知,土壤总呼吸与土壤温度和体积含水量均显著相关,进一步证明土壤温度和含水量是影响林地土壤呼吸速率的主要因子,且林火干扰还会导致土壤碳氮组分发生改变,从而影响土壤碳排放速率.

通过国内外文献检索收集了201条中国森林土壤呼吸及相关环境因子数据,比较了不同气候带(热带、亚热带、暖温带、中温带和高原气候区)人工林和天然林的土壤呼吸差异.结果表明:中国森林土壤呼吸沿着气候梯度由南至北呈递减趋势,平均速率为2.67μmol·m–2·s–1.天然林平均土壤呼吸速率(2.89μmol·m–2·s–1)显著高于人工林(2.40μmol·m–2·s–1).除了暖温带以外,其它四个气候区的天然林土壤平均呼吸速率均高于人工林.人工林土壤平均呼吸速率依次为:暖温带(3.17μmol·m–2·s–1)>热带(2.83μmol·m–2·s–1)>亚热带(2.20μmol·m–2·s–1)>中温带(1.97μmol·m–2·s–1)>高原气候区(1.14μmol·m–2·s–1);其中高原气候区的土壤平均呼吸速率显著低于暖温带、热带和亚热带.天然林的土壤平均呼吸速率依次为:热带(4.40μmol·m–2·s–1)>暖温带(2.75μmol·m–2·s–1)>亚热带(2.70μmol·m–2·s–1)>高原气候区(2.63μmol·m–2·s–1)>中温带(2.37μmol·m–2·s–1).不同气候带森林土壤自养呼吸贡献率平均为33.1％(17.1—65.7％),天然林土壤自养呼吸比例(34.7％)略高于人工林(32.6％).中国森林土壤呼吸的Q10值平均为2.56(1.46—3.60),沿气候梯度由南到北逐渐增加.不同气候带的人工林土壤呼吸温度敏感性Q10(2.38)要低于天然林(2.68).

辽宁东部山区冬季寒冷漫长,而且秋冬交替和冬春交替时期表层土壤冻融交替频繁发生,其对土壤CO2释放的影响特征还不明确.以该区典型森林类型长白落叶松(Larix olgensis Henry)人工林为研究对象,在2010-2014年期间额定非生长季冻融交替期和冻结期土壤呼吸速率(Rs)动态变化特征,并量化各时期土壤CO2释放量(FCO2)的贡献.结果表明:非生长季Rs总体呈现出“U”型的变化规律,并且秋冬冻融交替期土壤呼吸速率明显大于冬春冻融交替期.非生长季年际间Rs的差异较大,年平均Rs在(0.42±0.02)～(0.72±0.04) μmol CO2·m-2·s-1.Rs与10 cm深度土壤温度(T10)和空气温度(Ta)呈现相似的动态变化规律并且具有显著的正相关关系.指数模型能够较好地拟合非生长季Rs随T10的变化规律,且2010/2011和2011/2012年的拟合效果优于2012/2013和2013/2014年,冻融交替期的拟合效果要优于冬季冻结期.2010-2014年期间4个非生长季FCO2分别为137、92、100和159 g C·m-2,年际间差异大.非生长季各时期FCO2总体上为秋冬冻融交替期最多(29.66～63.48 g C·m-2),冬春冻融交替期次之(14.57～21.48 g C·m-2),秋冬冻融交替期FCO2是冬春冻融交替期的1.68 ～4.36倍,二者的累计贡献率在47.69％～54.66％.冻融交替作用对于非生长季FCO2动态的贡献不可忽视,而秋冬和冬春2个冻融交替期对于FCO2的影响也存在较大差异,秋冬冻融交替期激发土壤释放CO2的能力比冬春冻融交替期更强.研究结果将有助于更好地理解我国东北地区非生长季森林土壤碳排放的规律.